薛定谔猫变胖了！20比特超导量子技术新突破学术资讯

来源：ScienceAAAS

中科院青促会印娟（中国科学技术大学）中科院青促会特邀评论员黄合良（中国科学技术大学）

评述论文：Generation of multicomponent atomic Schrödinger cat states of up to 20 qubits (Science, 9 August 2019, 365(6453), 574-577)

超导量子计算因其可扩展性强、易于操控等方面的优势，成为目前最有前景的量子计算方案之一。在超导量子计算实用化研究的道路上，持续高品质地扩展量子比特规模是当前研究的核心目标和主要技术挑战。量子态的相干叠加是量子计算能够有指数加速能力的根源所在，当量子系统扩展至多个量子比特时，就会出现量子纠缠的概念——一种特殊的量子叠加状态。在量子计算体系中，纠缠扮演着非常重要的角色。例如，在基于测量的量子计算模型(Measurement-based quantum computation)中，必须先制备出一个大规模的多体纠缠态，才能开展后续的一系列测量操作，进而完成量子计算任务。并且，在绝大多数量子算法的执行过程中，都会产生量子纠缠。因此，多比特量子纠缠作为量子计算技术的关键指标，一直是国际各研究团队竞相角逐的焦点。在最新一期的美国《科学》杂志上，来自中国的浙江大学、中国科学院物理研究所等单位的科研人员，基于超导量子计算系统，再次“增肥”薛定谔猫态——扩展了纠缠态的规模：通过研制20个量子比特的超导量子处理器，首次实现了18个超导量子比特的GHZ纠缠态，以及20比特多组份薛定谔猫态的制备，刷新了超导量子系统纠缠的世界纪录。

图1. 20比特超导量子处理器，及其基础性能的标定结果研究人员所研制的超导量子处理器如图1所示。该处理器由20个频率可调的量子比特组成。通过将所有的量子比特耦合到一个谐振器上，从而实现了量子比特间的全连通。该处理器中每个量子比特的能量弛豫时间（T1）的范围为20微秒—50微秒，T2退相干时间为2微秒，π/2旋转门的保真度均高于0.99。

图2. 制备GHZ态的脉冲控制序列，以及GHZ态的实验结果通过对超导量子芯片发送如图2（A）的脉冲控制序列，便可实现GHZ纠缠态的制备。研究人员刻画了10、12、14、16、18体GHZ纠缠态的保真度，分别为0.817±0.009、0.775±0.011、0.655±0.009、0.579±0.007、0.549±0.006、0.525±0.005，均超过了真纠缠态的阈值，验证了18体的GHZ纠缠态。

图3. 20个超导量子比特的演化实验结果

进一步，研究人员通过让20个超导量子比特在单轴旋转哈密顿量的驱动下演化，并通过准分布Q函数（quasi-distribution Q function）可视化地表示整个演化过程，在不同的演化时间可分别观测到具有5个、4个、3个和2个组份的薛定谔猫态（见图3）。该工作实现了当前超导量子体系的最大规模纠缠态，可为下一步实现规模化量子计算奠定基础。值得一提的是，中国虽然在超导量子计算领域起步较晚，但发展迅速。近年来，以中科大、浙大、中科院物理所等为代表的多个科研团队，在基金委、科技部、量子信息与量子科技前沿协同创新中心等单位的支持下，开始在超导量子计算领域崭露头角，取得了一系列重要的科研成果。从2017年到2019年，先后实现了10超导比特GHZ纠缠态的制备 [Phys. Rev. Lett. 119, 180511 (2017)]、12比特“簇态”纠缠态的制备 [Phys. Rev. Lett. 122, 110501 (2019)]、12比特强关联量子行走 [Science 364, 753 (2019)]。最近，中科大团队成功地将芯片结构从一维扩展到准二维，制备出包含24个比特的高性能超导量子处理器，并实现了超过20超导比特的高精度量子相干调控 [Phys. Rev. Lett. 123, 050502 (2019)]；加上本期报道的浙大、中科院物理研究所等单位实现的20个超导量子比特薛定谔猫态的制备，标志着我国已经突破了20个量子比特的超导量子计算技术。述评人简介：印娟博士，中国科学技术大学教授，中国科学院青年创新促进会会员，主要从事基于远距离量子纠缠的量子物理实验研究。述评人简介：黄合良博士，中国科学技术大学博士后，主要从事量子计算理论与实验研究。

参考文献

1. C. Song, K. Xu, W. Liu, et al., 10-Qubit Entanglement and Parallel Logic Operations with a Superconducting Circuit. Phys. Rev. Lett. 119, 180511(2017)

2. M. Gong, M.-C. Chen, Y. Zheng, et al., Genuine 12-Qubit Entanglement on a Superconducting Quantum Processor. Phys. Rev. Lett. 122, 110501 (2019)

3. Z. Yan, Y.-R. Zhang, M. Gong, et al., Strongly correlated quantum walks with a 12-qubit superconducting processor. Science 364, 753 (2019)

4. Y. Ye, Z.-Y. Ge, Y. Wu, et al., Propagation and Localization of Collective Excitations on a 24-Qubit Superconducting Processor. Phys. Rev. Lett. 123, 050502 (2019)

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